Tính toán thiết kế bộ bù áp nhanh cho mạng điện trung áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN VĂN VŨ TÍNH TỐN, THIẾT KẾ BỘ BÙ ÁP NHANH CHO MẠNG ĐIỆN TRUNG ÁP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN Hà Nội - 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .8 MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG : CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 11 1.1 Các vấn đề liên quan đến chất lượng điện 11 1.1.1.Lõm điện áp 13 1.1.2 Mất điện tạm thời 14 1.1.3 Vấn đề sóng hài 14 1.2 Các định nghĩa tiêu chuẩn liên quan đến tượng lõm điện áp 15 1.3 Phân loại lõm điện áp 17 1.3.1 Lõm điện áp pha 17 1.3.2.Lõm điện áp pha với pha 17 1.3.3 Lõm điện áp ba pha .18 1.3 Nguyên nhân hậu tượng lõm điện áp gây 18 1.4 Xu hướng vấn đề chất lượng điện 19 1.5 Các giải pháp cho việc nâng cao chất lượng điện .20 1.5.1.Sử dụng cấp nguồn điện liên tục – UPS 22 1.5.2 Sử dụng bù áp nhanh – DVR .22 1.5.3 Sử dụng khóa chuyển đổi tĩnh -SSTS 23 1.6 Kết luận 26 CHƯƠNG : THIẾT KẾ CẤU TRÚC CỦA BỘ BÙ ÁP NHANH DVR .27 2.1 Cấu hình DVR 27 2.1.1 Khối lưu trữ điện 28 2.3.2 Nghịch lưu nguồn áp (VSI) 32 2.3.3 Bộ lọc sóng hài 35 2.3.4 Khóa chuyển mạch dẫn vòng 36 2.3.5.Máy biến áp bù .36 2.3.6 Hệ thống bảo vệ mạch nạp DC .40 2.3 Vị trí DVR hệ thống điện .40 2.3.1.Vị trí DVR mạng điện trung áp .41 2.3.2.Vị trí DVR mạng điện hạ áp 42 2.4 Cấu hình mạch lực DVR 43 2.5 Mạch tương đương bù áp nhanh DVR 44 2.6 Nguyên lý hoạt động DVR 45 2.6.1 Chế độ bù điện áp (VDVR>0) .45 2.6.2.Trong chế độ dự phòng (VDVR=0) 45 2.6.3.Chế độ bảo vệ có cố 45 2.7 Kết luận 46 CHƯƠNG : THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BÙ ÁP NHANH DVR 47 3.1 Các chiến thuật bù áp dụng cho bù áp DVR 47 3.1.1 Bù trước lõm 50 3.1.2 Bù đồng pha 52 3.1.3.Phương pháp tối ưu hóa lượng 53 3.1.4 Bù kết hợp 53 3.2 Các chiến lược điều khiển nghịch lưu Inverter 54 3.2.1 Điều khiển tuyến tính 55 3.2.2 Điều khiển phi tuyến 56 3.3 Các phương pháp phát lõm điện áp 57 3.3.1 Phương pháp giá trị đỉnh .57 3.3.2 Phương pháp giá trị hiệu dụng (rms) 58 3.3.3 Biến đổi Fourier (FT) 58 3.3.4 Phương pháp vecto không gian 58 3.4 Thiết kế mạch điều khiển cho DVR .60 3.4.1 Yêu cầu chức điều khiển 60 3.4.2 Thuật toán điều khiển 60 3.5 Tính tốn thiết lập giá trị DVR 63 3.5.1 Tính tốn giá trị bù áp nhanh DVR 63 3.5.2.Thiết lập mơ hình mơ Matlab/Simulink 67 3.6 Mô phỏng, đánh giá thảo luận 69 3.6.1 Tiến hành mô Matlab/Simulink 69 3.6.2 Đánh giá thảo luận 76 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn cao học: “Tính toán, thiết kế bù áp nhanh cho mạng điện trung áp - DVR” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Các số liệu kết thu hoàn tồn trung thực, phù hợp với thực nghiệm mà tơi tiến hành Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2014 Tác giả Trần Văn Vũ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN Artificial neural network Điều khiển mạng Noron APF Active Power Filter Bộ lọc công suất tác dụng Batery Energy Storage Hệ thống lưu trữ điện cục System Acquy BESS D-STATCOM DVR Distribution Static Bộ bù đồng tĩnh Compensator Dynamic Voltage Restorer Computer and Business CBEMA Bộ bù áp nhanh Hiệp hội nhà sản xuất kinh Equipment Manufacture doanh máy tính Association Flexible AC Transmission Hệ thống truyền tải nguồn xoay System chiều linh hoạt FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Furier nhanh GTO Gate Turn Off Thyristor Thyrixto cắt (chuyển từ đóng sang) PCC Point of Common Coupling Điểm nối chung PFC Power Factor Controller điều khiển hệ số công suất PQ Power Quality Chất lượng điện PLL Phase Locked Loop Vịng khóa pha PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều chế độ rộng xung VSI Voltage Source Inverter Bộ nghịch lưu nguồn áp THD Total Harmonic Distortion Độ méo sóng hài FACTS IGBT Integrated Gate Bipolar Tranzito lưỡng cực cổng tích hợp Transistor UPS Uninterruptible Power Supply Bộ cấp nguồn liên tục SMES Super conducting Manegtic Hệ thống lưu trữ lượng siêu từ Energy System SSTS IEEE IEC SVPWM tính Static Switch Transfer Bộ khóa chuyển đổi tĩnh System Institute Of Electrical and Electronics Engineers International Electrotechnical Commission Space Vector Pulse Width Modulation Viện kỹ sư điện điện tử Ủy ban quốc tế kỹ thuật điện Điều khiển vecto không gian PWM VL Voltage Load Điện áp tải Vs Voltage Supply Điện áp cung cấp PL Active Power Load Công suất tác dụng tải QL Reactive Load Công suất phản kháng tải PDVR Active Power of DVR Công suất tác dụng DVR QDVR Reactive DVR Công suất phản kháng DVR VDVR Voltage DVR Điện áp bù vào DVR Vsag Voltage Sag Điện áp trình lõm điện áp Vpre-sag Voltage Pre- sag Điện áp trước lõm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các vấn đề chất lượng điện ảnh hưởng 13 Bảng 1.2 So sánh giải pháp bảo vệ tải nhạy cảm từ dao động điện áp 23 Bảng 2.1 Bảng so sánh thiết bị sử dụng khối lưu trữ điện 29 Bảng 3.1 Các thông số mô DVR 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống truyền tải, phân phối điện Hình 1.2.Tiêu chuẩn 1159-1995 IEEE giảm điện áp Hình 1.3 Đường cong CBEMA Hình 1.4 Đường cong ITIC Hình 1.5 Cấu trúc UPS với khối lưu trữ điện Hình 1.6 Cấu hình DVR với thiết bị lưu trữ lượng Hình 1.7 Bộ khóa chuyển mạch tĩnh (SSTS) nguồn cung cấp Hình 1.8 Sơ đồ khối bù áp nhanh DVR Hình 2.1 Các thành phần DVR Hình 2.2 Bộ DVR với lưu trữ lượng có điện áp DC số Hình 2.3 Bộ DVR với lưu trữ lượng có điện áp DC biến đổi Hình 2.4 Bộ DVR khơng có lưu trữ điện Shunt phía nguồn cung cấp Hình 2.5 Bộ DVR khơng có lưu trữ điện Shunt phía tải Hình 2.6 Cầu pha Graetz chuyển mạch Hình 2.7 Cấu hình nghịch lưu NPC chuyển mạch Hình 2.8 Cấu hình nghịch lưu chữ H chuyển mạch Hình 2.9 Vị trí lọc phía tải Hình 2.10 Vị trí lọc phía biến tần Hình 2.11 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình tam giác Hình 2.12 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình Hình 2.13 Vị trí DVR lưới trung áp Hình 2.14 Vị trí DVR lưới hạ áp Hình 2.15 Mạch tương đương DVR Hình 2.16 Bộ DVR chế độ bảo vệ Hình 3.1 Các phương pháp bù ứng dụng DVR Hình 3.2 Phương pháp điều khiển cho bù áp nhanh DVR Hình 3.3.Phương pháp bù trước lõm ( bù biên độ góc pha) Hình3.4 Phương pháp bù đồng pha (chỉ bù mặt biên độ) Hình 3.5 Phương pháp tối ưu hóa lượng bù Hình 3.6 Phương pháp kết hợp bù trước lõm bù đồng pha Hình 3.7 Các phương pháp điều khiển ứng dụng cho nghịch lưu Hình 3.8 Giản đồ pha SPLL Hình 3.9 Thuật tốn điều khiển cho DVR Hình 3.10 Thuật tốn điều khiển cho DVR sử dụng điều khiển tiền định dựa biến đổi dq Hình 3.11 Sơ đồ thay bù áp nhanh Hình 3.12.Sơ đồ mơ phần mềm Matlab /Simulink Hình 3.13.Điện áp tải tham chiếu - điện áp chuẩn Hình 3.14 Điện áp nguồn bị lõm 15%, thời gian 0,2 (s) Hình 3.15 Điện áp nguồn bị lõm 15%, hệ tọa độ dq Hình 3.16 Điện áp bù áp nhanh DVR lõm 15% Hình 3.17 Điện áp tải sau bù DVR lõm 15% Hình 3.18 Điện áp nguồn bị lõm 40%, thời gian 0,2 (s) Hình 3.19 Điện áp nguồn bị lõm 40%, thời gian 0,2 (s) tọa độ dq Hình 3.20 Điện áp bù áp nhanh DVR mức lõm 40% Hình 3.21 Điện áp tải sau bù DVR mức lõm 40% Hình 3.22 Điện áp tải bị lõm 70% thời gian 0,2 (s) Hình 3.23 Điện áp tải bị lõm 70% thời gian 0,2 (s) hệ tọa độ dq Hình 3.24 Điện áp DVR 70% thời gian 0,2 (s) Hình 3.25 Điện áp tải sau bù mức lõm 70% thời gian 0,2 (s) Từ công thức cho thấy rằng: Dịng điện máy biến áp đóng vai trò nhiễu loạn cho điện áp lọc Nhiễu loạn ảnh hưởng bất lợi đến điều khiển gián tiếp lên nguồn chiều DC Giả sử nhiễu loạn bị triệt tiêu ( trường hợp khơng tải), hàm truyền đạt cịn lại khâu qn tính bậc Vs  Vinv Lf C f s2  Rf C f  Đối tượng khâu quán tính bậc 2, có dạng chuẩn sau: n2 G(s)  s  2 wns+n2 Bộ điều khiển PI có dạng : Kp s  Ki s  Kp (1 ) Ti s Phương trình đặc tính vịng điều khiển kín là: Gcl (s)  s3  2n s2  (2n  K pn2 )s  n2 Ki (*) Với hệ số tắt dần   n  Tần số tự R 2n Lf Lf C f Khi hàm đặc tính hệ có dạng bậc biểu diễn biểu thức P1(s).P2(s), P1(s) biểu diễn cho số thời gian trội, P2(s) biểu diễn cho số thời gian phụ Lựa chọn giá trị thời gian đỉnh Tp , thời gian xác lập Ts , độ điều chỉnh %OS mong muốn Khi hàm đặc tính là: Gcld (s)  (s  a)(s2  2dd s  d2 )  P1 (s)P2 (s) d  0,02 d  2425,98(rad / s) a= 0,5 65 Gcld ( s)  s3  97,5392s  48,5196s  2942689, 48 Thay vào công thức trên: Đồng với công thức (*) ta thu thông số điều khiển sau: Kp= 4,12 ; Ki=2,06 Để hệ thống đáp ứng tốt với việc lõm điện áp ta tiến hành hiệu chỉnh thông số điều khiển PID, thông số tối ưu theo thực nghiệm sau :  Thông số điều khiển PI trục d: Kp(d)= 2,5; Ti(d)= 0,34 Tương tự cho trục d, hiệu chỉnh thông số điều khiển sau:  Thông số điều khiển PI trục q: Kp(q)= 3,5; Ti(q)= 0,5 Các thông số Kp Ki đảm bảo thời gian đáp ứng nhanh bù lượng điện áp lõm vào hệ thống Các thông số hệ thống Điện áp pha 400V Trở kháng đường dây Ls=0,5 mH, Rs= 0,1 Ohm Tỷ số máy biến áp bù 1:1 Điện áp nguồn DC cung cấp 310V Điện trở lọc 0,02 Ohm Điện cảm lọc mH Điện dung lọc 12 µF Điện trở tải 150 Ohm Điện cảm tải mH Tần số chuyển mạch kHz Tần số đường dây truyền tải 50 Hz Công suất máy biến áp lực pha/ 560 kVA Công suất máy biến áp bù 60 kVA Thông số điều khiển PI trục d Kpd= 2,5; Tid= 0,34 Thông số điều khiển PI trục q Kpq= 3,5; Tiq= 0,5 Bảng 3.1 Các thông số mô DVR 66 3.5.2.Thiết lập mơ hình mơ Matlab/Simulink DVR thiết lập môi trường MATLAB đưa vào hệ thống điện để bảo vệ tải nhạy cảm hệ thống phân phối Đấu nối máy biến áp lựa chọn hình bên phía DVR đặt đường phân phối phía trước tải nhạy cảm cần bảo vệ Bộ lọc cài đặt phía máy biến áp để ngăn chặn sóng hài tần số cao gây chuyển đổi DC sang AC nhằm giảm méo đầu Nguồn điện áp DC nguồn bên Acquy cung cấp điện áp DC đến biến tần Việc tối ưu hóa nguồn DC xác định q trình mơ với nhiều cấu trúc điều khiển, cấu hình DVR, yêu cầu việc bảo vệ tải nhạy cảm, điện áp lõm xảy điểm mà DVR lắp đặt Để hiểu chức hoạt động DVR với hệ thống điều khiển trình điện áp lõm xảy mơi trường MATLAB / Simulink cơng cụ hữu ích để thực nghiên cứu có nhiều hộp cơng cụ sử dụng công việc dễ hiểu Cấu trúc điều khiển DVR thiết lập cách sử dụng công cụ SimPower System Toolbox Matlab/ Simulink Cấu trúc mơ hình bao gồm hai khối tạo nguồn chuẩn khối tạo điện áp cung cấp với việc cài đặt điện áp lõm theo biên độ khác Theo định nghĩa lõm điện áp sụt giảm biên độ đến 90%, nhiên thực tế DVR bù tối đa điện áp cỡ 40-45% Khi lõm điện áp xảy bù áp kích hoạt thông qua điều khiển PI với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, chuyển đổi dòng lượng DC sang AC thông qua nghịch lưu VSI bù vào cho điện áp tải thông qua máy biến áp bù có cơng suất phù hợp 67 Hình 3.12.Sơ đồ mô phần mềm Matlab /Simulink 68 3.6 Mô phỏng, đánh giá thảo luận 3.6.1 Tiến hành mơ Matlab/Simulink Tiến hành mơ phịng mơ hình Matlab/Simulink khoảng thời gian 0,4 (s) với thời gian lõm điện áp từ thời điểm 0,1(s) 0,3 (s) Để kiểm tra khả đáp ứng bù áp nhanh DVR tiến hành việc lõm điện áp mức :  Mức lõm điện áp thấp : 15%  Mức lõm điện áp : 40%  Mức lõm điện áp tới hạn: 70% Hình 3.13.Điện áp tải tham chiếu - điện áp chuẩn 69 a Mức điện áp lõm 15% Hình 3.14 Điện áp nguồn bị lõm 15%, thời gian 0,2 (s) Hình 3.15 Điện áp nguồn bị lõm 15%, hệ tọa độ dq 70 Hình 3.16 Điện áp bù áp nhanh DVR lõm 15% Hình 3.17 Điện áp tải sau bù DVR lõm 15% 71 b Mức lõm điện áp 40% Hình 3.18 Điện áp nguồn bị lõm 40%, thời gian 0,2 (s) Hình 3.19 Điện áp nguồn bị lõm 40%, thời gian 0,2 (s) tọa độ dq 72 Hình 3.20 Điện áp bù áp nhanh DVR mức lõm 40% Hình 3.21 Điện áp tải sau bù DVR mức lõm 40% 73 c Mức lõm điện áp 70% Hình 3.22 Điện áp tải bị lõm 70% thời gian 0,2 (s) Hình 3.23 Điện áp tải bị lõm 70% thời gian 0,2 (s) hệ tọa độ dq 74 Hình 3.24 Điện áp DVR 70% thời gian 0,2 (s) Hình 3.25 Điện áp tải sau bù mức lõm 70% thời gian 0,2 (s) 75 3.6.2 Đánh giá thảo luận - Từ kết mô thu cho thấy bù áp nhanh hoạt động tốt, thời điểm bù lượng với điện áp nguồn bị lõm khoảng thời gian 02 (s) ( từ mốc thời gian 0,1 (s) mốc thời gian 03, (s)) điện áp tải trì ổn định 1.00( p.u),và không bị ngắt quãng tượng lõm điện áp xảy ra, bào vệ an toàn cho tải nhạy cảm với trường hợp điển hình 15% 40% - Với mức lõm điện áp 70%, việc DVR bù không đủ điện áp thời gian lõm DVR thiết kế bù công suất tối đa 40-45% công suất tải, muốn bù điện áp lõm mức cao tăng cơng suất DVR thời gian lõm nhỏ cỡ vài chu kỳ Từ kết mô cho thấy DVR có khả bù tối đa 43% phù hợp với thiết kế ban đầu đưa - Bộ điều khiển PI với phương pháp sử dụng điều khiển tiền định cho phép DVR bù nhanh với chất lượng tốt, lượng cần bù lõm xảy giới hạn DVR 76 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Công tác nghiên cứu tương lai hướng phát triển đề tài thực nội dung sau:  Bên cạch việc sử dụng điều khiển PI, ứng dụng nhiều điều khiển phương pháp điều khiển bù cho DVR như: bù xen kênh, sử dụng bồ điều khiển cộng hưởng ( PR), thiết kế thêm mạch vòng dòng điện cho hệ thống  Nghiên cứu việc sử dụng kết hợp với D-STATCOM để giảm thiểu cách toàn diện đồng thời ảnh hưởng sóng hài, lõm/lồi điện áp, hiệu ứng kèm theo yếu tố nhiễu loạn chuyển mạch nâng cao hệ số công suất cần thiết việc sử dụng ngày tăng thiết bị điện điện tử  Tích hợp thêm cho DVR có chức lọc sóng hài thân  Trong cấu trúc DVR sử dụng hệ thống lưu trữ lượng siêu từ tính (SMES), ứng dụng cho hệ thống lớn 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Anita Pakharia, Manoj Gupta, Dynamic voltage restorer for compensation of voltage sag and swell: a literature review, International Journal of Advances in Engineering & Technology, July 2012, Vol 4, Issue A.Ghosh and G.Ledwich, Power quality enhancement using custom power devices, Kluwer Academic Publishers, 2002 Chellali BenachaiBa, Brahim Ferdi,Voltage Quality Improvement Using DVR, Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol XIV, No 1, 2008 C.Zhan,V.K.Ramachandramurthy,A.Arulampalam,C.Fitzzer,M.Barnes,N.Jenkin s, Control of a battery supported dynamic voltage restorer, IEEE proceedings on Transmission and Distribution, Vol.149 (No.5), Sep 2002, pg 533-542 Gỹlỗin Ouz (2004), Performance of a dynamic voltage restorer for a practical situation, Middle East technical university John Godsk Nielsen, Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer” Aalborg University, Denmark Institute of Energy Technology, March 2002 John Godsk Nielsen, Analysis of Topologies for Dynamic Voltage Restorer, pp 1027-1032, 2001 J.G.Nielsen,M.Newman, H Nielsen, and F Blaabjerg, Control and testing of a dynamic voltagerestorer (DVR) at medium voltage level, IEEE Trans Power Electronics, vol.19, no.3, p.806, May 2004 Rosli Omar, Nasrudin Abd Rahim, Marizan Sulaiman, Modeling and simulation for voltage sags/swells mitigation using dynamic voltage restorer (dvr), Journal of Theoretical and Applied Information Technology, JATIT, 2005 – 2009 10 M.Sharanya, B.Basavaraja , M.Sasikala, An Overview of Dynamic Voltage Restorer for Voltage Profile Improvement, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 – 8958, Volume-2, Issue-2, December 2012 78 11 M.V.Kasuni Perera,Control of a Dynamic Voltage Restorer to compensate single phase voltage sags, Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2007 12 P.Boonchiam and N Mithulananthan, Understanding of Dynamic Voltage Restorers through MATLAB Simulation, Thammasat Int J Sc Tech., Vol 11, No 3, July-Sept 2006 79 ... điện áp cung cấp, có lõm xảy với điện áp cung cấp DVR bù điện áp tải giống điện áp trước lõm [9][12] Phương pháp bù dành cho tải phi truyến mà cần bù cho biên độ điện áp góc pha Bộ bù áp nhanh. .. kết nối nối tiếp mà điện áp bù điều khiển điện áp tải Với tải nhạy cảm với điện áp trường hợp điện áp bị lõm DVR bù phần điện áp bị thiếu hụt điện áp tải phục hồi với điện áp danh định vịng vài... điện vấn đề rộng phân chia thành hai loại là: chất lượng điện áp chất lượng tần số Các vấn đề chất lượng điện áp có liên quan với : lõm điện áp, lồi điện áp, điện áp thấp, điện áp cao, điện áp